تبلیغات
parsan - گزارش کار آزمایشگاه فیزیک 1تعین جرم حجمی با روش: هندسی و استوانه مدرج
 
نوشته شده توسط : hamid pursoleymani parizi

هدف آزمایش: تعین جرم حجمی با روش: هندسی و استوانه مدرج

وسایل آزمایش :استوانه مدرج ،کولیس ،ترازو،آب،اشکال هندسی (استوانه  ،مکعب و...)
چگالی
: در علوم پایه چگالی را مقدار جرم  موجود در واحد حجم ماده می‌دانند.
چگالی نسبت جرم به حجم ماده است و بیان می كند كه در یك حجم مشخص از ماده چه مقدار جرم قرار گرفته است و آن را با علامت اختصاری ρ نشان می‌دهند که از رابطه ρ=m/V به دست می‌آید.

در صورتی که در علوم پیشرفته، این تعریف از چگالی صحیح نیست و دقیقا تعریف جرم واحد حجم یا جرم مخصوص یا همان دانسیته می‌باشد. در علم کل، وزن مخصوص یک ماده به وزن آب هم‌حجم آن را در شرایط استاندارد، چگالی می‌گویند و ان را با S نشان می‌دهند. در رابطهٔ ذکر شده، ρ چگالی ماده، m جرم جسم و V حجم اشغال شده توسط آن ماده‌است. همچنین، بین چگالی و وزن مخصوص باید تفاوت قائل شد.
 چگالی مقدار جرم موجود در واحد حجم است، ولی وزن مخصوص به معنی وزن واحد حجم ماده‌است. جرم مخصوص یا دانسیته جرم واحد حجماست. جرم مخصوص را با
ρ نشان می‌دهند.برای تعریف جرم مخصوص در یک نقطه، حجم کوچکی در اطراف نقطه در نظر گرفته و جرم سیال را داخل آن حجم تقسیم نموده وحد این نسبت را وقتی تغییرات حجم به اپسیلون میل می‌کند می‌گیریم. درخور ذکر است که اپسیلون در اینجا درست است که واحد بسیار کوچکی است، اما از فاصله متوسط مولکول‌های جسم، بزرگ‌تر است.
چگالی به دو عامل بستگی دارد:
1- جرم جسم(
m) چگالی با جرم رابطه مستقیم دارد.
2- حجم جسم (
V) چگالی با حجم جسم رابطه عكس دارد
  چگالی نسبی: مقایسه چگالی دو مایع با یکدیگر یا مقایسه چگالی یک
  جامد با یک مایعخیلی راحت است. اگر چگالی جسمی کمتر از مایع باشد، در آن شناور می‌شود و در غیر اینصورت در آن غرق می گردد. مثلا چگالی  چوب از آب کمتر است و برای همین است که چوب روی آب شناور می‌ماند " نیروی ارشمیدس"

مواد چگال:هسته اتمهای تشکیل دهنده مواد و ستارگان از جمله کوتوله ،  های سفید ستارگان نوترونی ا   بر نواختران ، سیاه چاله‌ها و ... چگالترین موادها هستند. به ترتیب از بیشترین چگالی جامد سپس مایع و در آخر كمترین چگالی را گازها دارند.

جرم و جرم حجمی: چگالی همان جرم حجمی است. ببینید اگر مقداری جیوه داشته باشیم و به حجم 1 سانتیمتر مكعب ( یك مكعب×cm 1cm×1cm  (  1 از آن برداریم و با ترازو جرم آن را بدست آوریم مشاهده خواهیم كرد جرم آن برابر 13.6 گرم می باشد.یعنی 1 ساتی متر مكعب جیوه 1 گرم جرم دارد. به این مقدار جرم حجمی می گوییم . به عبارت دیگر جرم حجمی یا چگالی یك ماده مقدار جرم 1 سانتی متر مكعب از آن ماده می باشد.( بر حسب گرم ) مثلا جرم حجمی هوا 0.13 گرم بر سانتی متر مكعب می باشد. یعنی 1 سانتی متر مكعب حجم هوا 0.13 گرم جرم دارد. حال توجه كنید برای ما شاید سخت باشد كه برای پیدا كردن جرم حجمی هر ماده 1 ساتنی متر مكعب از حجم آن ماده را برداریم و بعد جرمش را اندازه بگیریم. بنابراین راه حل بهتر این می باشد كه مقداری از ماده را برداریم و حجم و جرمش را بدست آوریم و بعد با استفاده از جدول تناسب یا فرمول  جرم حجمی آن را پیدا كنیم.
واحد جرم حجمی گرم بر سانتی متر مكعب یا كیلوگرم بر متر مكعب می باشد.
جرم حجمی هوا در سطح دریا حدود 1.2 کیلو گرم بر متر مکعب است.  این جرم حجمی با افزایش ارتفاع کم و به همین صورت فشار آن کاهش می یابد. مجموع جرم جو زمین در حدود 5.1 × 1018 کیلوگرم است که بخش بسیار ناچیزی از کل جرم زمین را تشکیل می دهد.جرم حجمی فشار جو زمین با افزایش ارتفاع تغییر می کنند.  این تغییر تقریبا می تواند نمونه کاربردی Barometric formula باشد.

واحدها: در اندازه‌گیری چگالی جامدات و مایعات معمولا جرم را بر حسب گرم (g) یا کیلوگرم (kg) و حجم را بر حسب سانتیمتر مکعب (cm3) یا مترمکعب (m3) بیان می‌کنند. چگالی نشانگر این است که جرم ماده تا چه حد متراکم شده است. مثلا ، سرب یک ماده چگال است، زیرا مقدار زیادی از آن در حجم کوچکتر متراکم شده از طرف دیگر چگالی هوا بسیار کم است.
الف) اگر جرم بر حسب Kg و حجم بر حسب متر مکعب باشد واحد چگالی (كیلو گرم بر متر مكعب )است.
ب) اگر جرم برحسب گرم(
g) و حجم بر حسب سانتی مترمكعب باشد واحد چگالی گرم بر سانتی متر مکعب است.                                           

طریقه اندازه گیری: برای اندازه‌گیری چگالی یک جسم باید هم جرم جسم (m) و هم حجم (V) آن را اندازه‌گیری کنیم. جرم را می‌توانیم با ترازو اندازه‌گیری کنیم. حجم یک جسم جامد را می‌توانیم با راههای گوناگون اندازه بگیریم. مثلا برای بدست آوردن حجم یک مکعب ، اندازه یک ضلع آن را به توان 3 می‌رسانیم و یا برای تعیین حجم یک مکعب مستطیل طول ، عرض و ارتفاع آن را در هم ضرب می‌کنیم. حجم یک مایع را می‌توانیم با ظرف شفاف مدرجی که واحدهای حجم را نشان می‌دهد، اندازه بگیریم. در آزمایشگاه معمولا برای اندازه گیری حجم مایعات از استوانه مدرج استفاده می‌کنند. در مواردی بوسیله اندازه‌گیری جرم نسبی مواد نسبت به هم از طریق چگالی نسبی مواد نسبت به هم می‌توانیم چگالی تک‌تک مواد را اندازه‌گیری نموده و مشخص نماییم.                                               

قیف جدا کننده: وسیله‌ای است که مایعات را بر اساس شاخص چگالی از هم جدا می‌کند مثلا اگر مخلوط یک ماده آلی و آب را که با هم قابل اختلاط نیستند در مخزن این وسیله بریزیم بر حسب چگالی، مواد در داخل این ظرف تفکیک می‌شود و ماده با چگالی بالاتر در زیر قرار میگیرد و وقتی شیر زیر ظرف را باز کنیم مایعی که دارای چگالی بالاتر است و در زیر قرار گرفته، از دستگاه خارج می‌گردد تا اینکه به مرز جدایی مایعات برسد، در چنین حالتی شیر را می‌بندیم و ظرف دوم را در زیر قیف جدا کننده قرار میدهیم و شیر را باز میکنیم و در نهایت قیف جدا کننده با موفقیت دو مایع مخلوط را از هم جدا می‌کند. در شكل زیر دو ارلن مایر براى جمع آورى دو مایع آلى و آبى به كار گرفته شده است. معمولا قیف جدا كننده برای عمل استخراج به كار می رود.

وسایل شیشه ای: وسایل شیشه ای خود به دو دسته مدرج و غیر مدرج طبقه بندی می شوند ، بدیهی است که از ظروف مدرج برای تعیین حجم استفاده می شود . در هنگام کار با ظروف مدرج توجه داشته باشید که با توجه با کشش سطحی آب ، سطح آن در یک استوانه نسبتاً باریک به صورت مقعر در می آید . به سطح فوق مینیسک گفته می شود . سئوالی که پیش می آید این است که در این صورت مبنای تنظیم و خواندن حجم صحیح کدام قسمت سطح مقعر فوق است ؟ در واقع گودترین قسمت مبنای خواندن قرار می گیرد . ضمناً توجه داشته باشید که هنگام خواندن حجم ، چشم باید تقریباً در سطح خط مینیسک قرار گیرد و چنانچه بالاتر یا پایین تر از سطح فوق قرار گید ، حجم خوانده شده به ترتیب بالاتر یا پایین تر از سطح فوق قرار گیرد حجم خوانده شده به ترتیب بالاتر یا پایین تر از حجم واقعی گزارش خواهد شد . گاه توصیه می شود که یک صفحه سیاه و سفید را پشت ظرف مدرج قرار دهند و سپس در حالی که چشم در سطح خط مینیسک قرار گرفته است ، حجم مورد نظر خوانده شود .
الف : ظروف مدرج
 استوانه مدرج ( مزور ) :استوانه ای است پایه دار با حجم های مختلف که از آن می توان برای برداشت و انتقال حجم های بزرگتر استفاده کرد . علاوه بر استوانه مدرج ، لیوان مدرج نیز وجود دارد که بیشتر برای نقل و انتقال حجم تقریبی مایعات مورد استفاده قرار می گیرد و کمتر به عنوان ابزار حجم سنجی دقیق مورد استفاده واقع می شود .
پی پت : برای برداشت حجم های مختلف و نسبتاً کم از پی پت استفاده می شود . با انگشت شست و سه انگشت آخر پی پت را به صورت عمودی گرفته و به وسیله انگشت نشانه دهانه آنرا باز و بسته می کنند .
بورت :ساختمان بورت تفاوت چندانی با پی پت ندارد بعبارت دیگر بورت ، پی پتی است که در انتهای آن شیر وجود دارد و انتهای فوقانی آن ممکن است قدری گشادتر باشد و مایع را به عوض اینکه با دهان بالا وارد بورت می کنند .
ب: ظروف غیر مدرج
ارلن:از ارلنی که بیشتر بنام ارلن مایر خوانده می شود معمولاً برای مخلوط کردن و حتی نگهداری مایعات استفاده می شود . ارلن مایر ظرف مخروطی با گردن نسبتاً باریک در حجم های مختلف است .
بشر: ظرف شیشه ای استوانه ای دهان گشادی است که معمولاً به منظور مخلوط کردن و تهیه مواد لازم را ی آزمایش مورد استفاده قرار می گیرد . به علت دقت کم در اندازه گیری و نیز دهانه گشاد از آن به هیچ وجه برای حجم سنجی و یا نگهداری مواد استفاده نمی شود .
   بالن ته گرد :در واقع یک نوع ارلن با ته گرد است و برای تقطیر مورد استفاده قرار می گیرد

چگالی سنج:ساختمان چگالی‌سنجها براساس قانون ارشمیدس است. موقعی كه وزن مخصوص جسم كمتر از وزن مخصوص مایع باشد، نیروی ارشمیدس بیشتر از وزن جسم است و جسم به طرف بالا رانده و شناور می‌‌‌شود. شرط تعادل اجسام شناور آن است كه وزن كل جسم برابر وزن مایع قسمت غوطه‌ور باشد. در مورد یك جسم، هر چه چگالی مایع بیشتر باشد وزن مایع جابه‌جا شده بیشتر شده و در نتیجه جسم بالاتر می‌آید و بیشتر از مایع خارج می‌شود. در صورتی كه چگالی مایع كمتر شود جسم در مایع بیشتر فرو می‌رود.

چگالی‌سنج تشكیل شده است از یك لوله شیشه‌ای نسبتاً بلند كه قسمت بالای آن مسدود و از طرف پایین به یك مخزن پر از جیوه یا ساچمه‌های سربی منتهی است. برای اینكه حجم وسیله بیشتر شود، لوله قسمت بالای مخزن گشادتر است. چگالی‌سنج طوری درست شده است ( پایین بودن گرانیگاه و تنظیم محل آن) كه همواره به طور قائم قرار می‌گیرد و قسمتی از آن خارج مایع باقی می‌ماند. داخل لوله كاغذ مدرجی چسبانده شده است كه مستقیماً چگالی مایع را نشان می‌دهد. برای مایعات سنگین‌تر از آب، صفر وسیله در قسمت بالا و برای مایعات سبكتر از آب، صفر وسیله در قسمت پایین قرار گرفته است. برای مایعات سنگین‌تر از آب، چگالی‌سنج را معمولاً به صورت بومه درجه‌بندی می‌كنند. چگالی‌سنج را در آب مقطر قرار می‌دهند و صفر آن را به دست می‌آورند، سپس آن را در محلول آب و نمك به نسبت 15 گرم نمك و 85 گرم آب قرار می‌دهند و سطح مایع را روی لوله با عدد 15 مشخص می‌كنند. بین صفر و 15 را به 15 قسمت مساوی تقسیم و تقسیمات را تا پایین لوله ادامه می‌دهند. این تقسیمات را درجه‌بندی بومه گویند و با علامت(-) نشان می‌دهند.                               
اساس کار تمام چگالی سنج ها از قوانین ایستایی سیالات (شاره ها) ارشمیدس دانشمند اهل سیراکوز میباشد که: هر جسم غوطه ور در آب به اندازه وزن هم حجم خود از آب سبکتر می شود. این رابطه ساده به چند عامل بستگی دارد. جرم ماده ، گرایش (جاذبه) زمین ، حجم ماده. (جدیدا درجه حرارت نیز به آن اضافه شده است)میدانیم که جرم با وزن متفاوت است. جرم یک جسم همیشه ثابت است ولی وزن ممکن است در هر ارتفاعی متفاوت باشد. به زبان ساده ، گرانش زمین بر وزن اثر میگذارد ولی بر جرم اثری ندارد.

جرم = مقدار ماده موجود در هر جسم است .   حجم = مقدار فضای اشغال شده توسط جسم است.
وزن = مقدار نیروئی که توسط نیروی گرانیکای (جاذبه) زمین بر جسم وارد  می شود.
وزن مخصوص = وزن یک ماده تقسیم بر حجم آن ماده. (وزن حجمی)
چگالی = نسبت جرم یک ماده به حجم آن ماده. (جرم حجمی)
چگالی ویژه = وزن مخصوص یک ماده تقسیم بر وزن مخصوص آب خالص.

با آنکه می دانیم وزن مخصوص آب خالص یک است ، از نظر علمی صحیح نیست بگوئیم چگالی با چگالی ویژه یکیست زیرا این قانون فقط بر روی سطح کره زمین قابل قبول است و خارج از گرانش کره زمین نتیجه متفاوت در بر دارد. همه می دانیم که وزن مخصوص آب خالص در کنار دریا و یا در 100 سانتیمتر فشار جیوه و با حرارت 4 درجه سانتیگراد همیشه عدد ثابت یک است.آنچه از آن بنام چگالی سنج نامبرده می شود ابزار مشخصی است که با آن میزان ناخالصی ماده در مایع را اندازه می گیریم. این ابزار بر اساس قانون اول ارشمیدس ساخته شده و کار آن بطور کلی تعیین مقدار در صد از ماده محلول خارجی در آب خالص است.

   روش انجام آزمایش :برای محاسبه چگالی طبق رابطه  باید جرم وحجم جسم را اندازه گیری كرد.
 1- برای اندازه گیری جرم باید آن را بر روی ترازو قرار داده و جرم آن را اندازه گیری کرد سپس برای بدست آوردن حجم  می توانیم استوانه مدرجی را تا حجم مشخصی از آب پر كنیم
سپس جسم مورد نظر را در استوانه انداخته بصورتی كه كاملا در آب فرو رود حجم آب بالا می آید اگر حجم ثانویه را از حجم اولیه آب كم كنیم  حجم جسم مورد نظر را بدست آورده ایم حال كافیست كه طبق فرمول چگالی جرم را بر حجم تقسیم كنیم تا چگالی بدست آید.
2- با یکی ازوسایل اندازه گیری مانند کولیس ابعاد  جسم را اندازه گیری کرده  و با فرمول اشکال  هندسی حجم آن را بدست آورده سپس برای بدست آوردن جرم میتوانیم جسم را در ترازو قرار داده و جرم آن را بدست
آوریم با توجه به فرمول چگالی با داشتن جرم و حجم جسم  براحتی میتوانیم چگالی آنها را بدست آوریم.                                                           

محاسبات:1-  با استفاده از وسایل اندازه گیری:                                       p= m/v                                                                                                  
    2- با استفاده از فرمول اشکال هندسی : 
=3.14*r2*h                          حجم استوانه                                       
         

بحث در نتایج آزمایش : با بررسی نتایج آزمایش به این موضوع پی می بریم که جرم حجمی هر جسم را چگونه می توان بدست آورد . ازآزمایش انجام شده می توان به این نتیجه رسید که جرم حجمی را از دو طریق میتوان بدست آورد .1- با کمک استوانه مدرج وترازو  حجم وجرم جسم را به دست آورده ودر فرمول چگالی قرارداده و چگالی آن را به دست آورده .2- با استفاده از ترازو جرم جسم و با استفاده از  وسیله اندازه گیری مانند کولیس ابعاد جسم را اندازه گرفته و در فرمول هندسی آن قرار داده و حجم جسم را بدست آورده ودر فرمول چگالی جایگزین کرده و جرم حجمی جسم را به دست می آوریم . اما به دلیل خطای دید انسان و دقیق نبودن وسایل اندازه گیری جواب آزمایش با هم متفاوت است و دارای خطاست .  

منابع خطا:1- خطای شخصی ،2- خطای دستگاه (در آزمایش مورد نظر ما خطا ها بر اساس خطاهایی بود که شخص اندازه گیرنده مرتکب شده بود و بعضی از خطاها بر اساس خطای دستگاه مانند (ترازو ، کولیس و....) بود که باعث شد نتیجه آزمایش دارای خطا باشد).




تاریخ انتشار : شنبه 20 فروردین 1390 | نظرات ()
 
   
یکتا رایانه بزرگترین مرکز فروش لپ تاپ جنوب شرق. تلفن : 03454253104